Тепловой режим краевых зон в современных окнах

Необходимо разделить процессы теплопередачи в краевых зонах, обусловленные теплопроводностью (что, собственно говоря, и определяет проблему краевых зон), и процессы, связанные с конвективным теплопереносом, которые происходят в любых воздушных прослойках, независимо от наличия и типа дистанционных рамок. Физика этих процессов различна, и, соответственно, различны подходы к их учету и использованию.

Рис. 2

Бесспорно, что влияние отдельных факторов на конечный результат неравнозначно и зависит от конструктивного решения стеклопакета, переплета, материала дистанционных рамок, типа герметика и пр. В качестве примера на рис. 2 приведены результаты расчета температурного поля узла сопряжения деревянного профиля с двухкамерным стеклопакетом из обычного стекла. Аналогичные расчеты, выполненные для различных стеклопакетов, показали, что при отсутствии дистанционных рамок и герметика (сток тепла происходит вдоль внутреннего стекла к торцу стеклопакета) понижение температуры, по сравнению с центральной частью составляет 10–15% (рис. 2а).

При стоке тепла по герметику (коэффициенты теплопроводности герметиков «Тиокол» и «Нафтотерм» составляют l = 0,36 - 0,44 Вт/(м •оС) Dt дополнительно увеличивается на 15 - 25%, рис. 2б. На долю дистанционных рамок из алюминия приходится 60 - 75% понижения температуры краевой зоны по сравнению с поверхностью стеклопакета. В комплексе эти два фактора определяют общее понижение температуры на Dt = 10,9 оС (рис. 2в).

Анализ эффективности замены материала дистанционных рамок, алюминия, на оцинкованную и нержавеющую сталь, ПВХ, рамки с термовставками, как рекомендуется в большинстве публикаций по данной теме, показывает, что переход от алюминия к оцинкованной и даже к нержавеющей стали не столь уж и эффективен, несмотря на то, что коэффициент теплопроводности материала снижается почти на два порядка (табл.1). Наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании рамок из жесткого ПВХ или стеклопластика. Однако, как показывает обзор отечественного опыта, применение таких рамок пока ограничено определенными технологическими сложностями. Удовлетворительные результаты дает применение рамок с термовставками (табл.1), но и это решение само по себе не является достаточным. Представленные в табл.1 результаты теоретических расчетов хорошо коррелируют с результатами экспериментальных исследований в холодильной камере, проведенных для однокамерного стеклопакета с дистанционными рамками различного конструктивного решения шириной 16 мм (табл. 2).

* Расчеты выполнены при температуре наружного воздуха tн = -37 oC, при температуре внутреннего воздуха tв = +20 oC, коэффициентах теплопередачи наружной и внутренней поверхностей aв = 8,7 Вт/(м 2•оС)
** Дистанцонные рамки установлены в стеклопакете со смещением от ребра штапика вглубь переплета на 4 мм.

Таблица 2. Результаты натурных испытаний влияния различных рамок на температурный режим краевых зон (на примере окна из ПВХ-профипей серии «Euro-92. Golden Line»)
№ п/п	Характеристика стеклопакета	Температура, Со
tн	tв	tв центр	tв min	Dt
1.	4+16ал+4К	-21,4	22,9	13,3	7,1	6,2
2.	4+16ст+4К	-21,2	22,7	13,4	7,8	5.6
3.	4+16нерж+4К	-20,7	23,2	13,6	9,7	3,9
4.	4+16ал+4і	-19,8	22,2	15,0	8,2	6,8
5.	4+16ал+4	-20,4	21,2	11,2	6,5	4,7
Схема расположения термопар	Условные обозначения: ал - алюминий; ст - оцинкованая сталь; нерж - нержавеющая сталь; К - стекло с «твердым» селективным покрытием (Pilkington); і - стекло с «мягким» селективным покрытием

Как следует из результатов испытаний, повышение теплозащитных качеств стеклопакетов за счет применения стекла с селективным покрытием не улучшает положения. Повышение температуры в центральной части остекления приводит к некоторому повышению температуры в зоне сопряжения стеклопакета с переплетом. Однако разность между этими температурами, по сравнению с обычным стеклом, в конечном счете возрастает и проблема краевых зон становится еще более ощутимой.

Анализ возможных технических решений, основанных на рассмотренных физических процессах теплопередачи, позволил сформулировать ряд подходов к решению проблемы краевых зон, помимо замены материала дистанционных рамок. В частности это:

• глубокая посадка стеклопакетов;
• рациональное размещение стеклопакетов по ширине профиля;
• увеличение теплопритока к торцу стеклопакета за счет изменения размеров штапиков и др.

В качестве одного из наиболее простых и эффективных решений (в тех случаях, когда это конструктивно возможно) может быть рекомендовано смещение дистанционных рамок вместе с герметиками вглубь переплетов на 10–15 мм. Как показывают расчеты и экспериментальные исследования, смещение дистанционных рамок вглубь профилей позволяет повысить минимальную температуру в зоне стыка стеклопакета с переплетом на 3–4 °С без каких-либо других мероприятий (то есть в состоянии дать тот же эффект, что и применение рамок с термовставками).

В качестве примера на рис. 3 представлены результаты натурных испытаний окна из ПВХ-профилей фирмы Brugmann серии «Duo kompakt. Serie81». Профили этой серии отличаются возможностью глубокой посадки стеклопакетов, что и было реализовано при испытаниях окна. Для исключения возможных погрешностей (различия в температуре внутреннего воздуха, влияние приоконных зон и т. п.) стеклопакет был установлен со смещением в одну из сторон с получением в одном сечении двух вариантов размещения дистанционных рамок. Распределение температур по поверхности стеклопакета, представленное в виде графиков на рис. 3, убедительно свидетельствуют об эффективности этого решения.

Рис. 3

Другие варианты улучшения теплового режима стеклопакетов в краевых зонах возможны благодаря применению комплекса ряда мероприятий. Гораздо сложнее дело обстоит с конвективным теплопереносом и охлаждением нижней части окна. Как уже отмечалось, этот процесс происходит независимо от типа и материала дистанционных рамок и определяется плотностью, вязкостью газа, заполняющего воздушную прослойку, ее шириной, температурным перепадом между поверхностями и рядом других факторов. Рассмотрение этих процессов выходит за рамки данной статьи.

Необходимо отметить, что рассмотренные решения позволяют лишь снять остроту проблемы краевых зон для большинства производителей. Однако ни замена материала дистанционных рамок, ни глубокая посадка стеклопакетов, ни ряд других возможных решений не позволяют полностью исключить понижение температуры поверхности стеклопакетов в зоне их сопряжения с переплетами.

Анализ результатов технологических и сертификационных испытаний окон различного решения – с одинарными, спаренными, раздельными переплетами (как со стеклопакетами, так и с тройным остеклением в раздельно-спаренных деревянных переплетах) – привел к выводу, что радикальное решение проблемы краевых зон возможно при размещении со стороны помещения одинарного остекления в самостоятельном переплете. Сравнительные результаты испытаний окна со стеклопакетом и стеклом в раздельных деревянных переплетах, представленные на рис. 4, свидетельствуют об отсутствии понижения температуры остекления при расположении стеклопакета с наружной стороны. Более того, в краевой зоне отмечается даже некоторое повышение температуры остекления вследствие дополнительного притока тепла от переплета.

Рис. 4

По мнению авторов статьи, для суровых климатических условий это решение является наиболее удачным. Установка стеклопакета с внутренней стороны менее эффективна, хотя при наличии стекла с наружной стороны проблема краевых зон проявляется менее ярко.

Необходима детальная проработка конструктивных решений, позволяющих реализовать отмеченные достоинства как в окнах из ПВХ-профилей, так и в традиционных деревянных окнах с раздельными или спаренными переплетами.